Was ist ein Planet?
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Die Jagd nach Exo-Planeten Pierre Kelsen AAL 16 Dezember 2000 Was ist ein Exo-Planet? • Exo-Planet = Planet in einem anderen Sonnensystem – English: exo-planet, extrasolar planet 2 Was ist ein Planet? • Umkreist eine Sonne • Masse zu gering, um Fusionsprozesse zu zünden Deuteriumfusion Jupitermassen “Planeten” 13 Wasserstoffbrennen 80 “Braune Zwerge” “Sonnen” 3 Was ist ein Planet? (2) • Leuchten im reflektierten Licht des Muttergestirns • Planet und Muttergestirn kreisen um gemeinsamen Schwerpunkt 4 Wieso suchen wir Exo-Planeten? • Geben uns tiefere Einblicke in die Entstehung unseres eigenen Sonnensystems • Suche nach ausserirdischer Intelligenz 5 Ausflug in die Exo-Biologie • Wie definiert man Leben? – Keine allgemein anerkannte Definition • Grundvoraussetzung – Wasser in flüssiger Form ⇒Planet in der “habitable Zone” (Oekosphäre) 6 Ausflug in die Exo-Biologie (2) • Habitable Zone 7 Ausflug in die Exo-Biologie (3) • Stern soll etwa Sonnengrösse haben – Viel kleiner: • wegen kleinem Bahnradius: – tidal locking (siehe Mond) – Helligkeitsschwankungen (0.1%) – Viel grösser: • Wesentlich heisser als die Sonne • Brennen schnell aus 8 Ausflug in die Exo-Biologie (4) • Planet soll etwa Erdgrösse haben – Wesentlich kleiner: • Kann keine Atmosphäre halten – Wesentlich grösser: • Gasriese mit hohem atosphärischem Druck und keiner festen Oberfläche 9 Gibt es Exo-Planeten? • Grobe Schätzung: – – – – – ~109 Galaxien sichtbar mit HST ~1011 Sterne in der Milchstrasse Also: ~1020Sterne im Universum Alter des Universums: ~1010 Bei gleichmässiger zeitlicher Verteilung: • 1 Million Sonnensysteme entstehen pro Stunde 10 Der Anfang: Barnards Pfeilstern • 1916 entdeckte E.E. Barnard einen Stern mit einer sehr grossen Eigenbewegung (10.3”/Jahr) 11 Barnards Stern: Eigenbewegung 12 Astrometrie • Präsenz eines Planet beeinflusst die Eigenbewegung eines Planeten => “wobble” – Analogie: Hammerwerfer • Analyse der Eigenbewegung als Funktion der Zeit => Astrometrie 13 Peter van Kamp • Peter van Kamp versuchte nachzuweisen, dass Barnards Stern Planeten besitzt – Astrometrische Methode: basiert auf über 2000 Aufnahmen, zwischen 1938 und 1962 • Anfang 60er Jahre: 1 Planet mit 1.6 Jupitermassen und Umlaufzeit von 24 Jahren, ovale Umlaufbahn • März 1969: 1.7 JM und UZ=25 Jahre 14 Peter van Kamp(2) • August 1969: – – – – 2 Planeten ! Kreisförmige Umlaufbahnen UZ: 26 und 12 Jahre Massen: 1.1 und 0.8 JM 15 Peter van Kamp(3) • 1975: – Astrometrische Daten von 1950-1974 – Massen: 0.4 und 1.0 JM – UZ: 22 und 11.5 Jahre 16 Peter van Kamp(4) • 1982: – Astrometrische Daten von 1938-81 – Massen: 0.7 und 0.5 JM – UZ: 12 und 20 Jahre 17 Peter van Kamp (5) • 1973 Gatewood und Eichhorn versuchen die Theorie von van Kamp zu bestätigen mit astrometrischen Methoden – ohne Erfolg • 1973: John Hershey untersucht die gleichen Foto-Platten wie van Kamp – Bezieht 12 Sterne in seine Studie ein – Alle 12 zeigen wobble in Eigenbewegung! 18 Peter van Kamp (6) • Zwei Möglichkeiten – Alle 12 Sterne besitzen Planeten – Probleme mit dem Teleskop des Sproul Observatory • Bis heute konnte die Theorie von van Kamp nicht nachgewiesen werden !! 19 Methoden zum Planetennachweis • Astrometrie • Radialgeschwindigkeit • Helligkeitsveränderung durch Planetendurchgang (transit) • Gravitationslinse (microlensing) • Direkte Detektion (direct imaging) 20 Astrometrie • Einfluss des Planeten auf Eigenbewegung des Muttergestirns sehr gering • Beobachtungsfehler verursachen ähnliche Schwankungen • Noch keine eindeutigen Funde 21 Astrometrie - Beispiel 22 Astrometrie - Kandidaten • Barnard's Pfeilstern (6 LJ) • Lalande 21185 (8 LJ) • Proxima Centauris (4 LJ) 23 Radialgeschwindigkeit • Radialgeschwindigkeit = Geschwindigkeit, mit der ein Objekt sich auf uns zu- oder wegbewegt 24 Radialgeschwindigkeit (2) • Sonne und Planet kreisen um ein gemeinsames Massezentrum • Radialgeschwindigkeit unterliegt periodischen Schwankungen (Periode = Umlaufzeit des Planeten) • Messung mit Hilfe des Dopplershifts 25 Dopplershift 26 Radialgeschwindigkeit (3) • Erfolgreichste Methode: fast alle ExoPlaneten mit dieser Methode entdeckt • Erlaubt Bestimmung der Lage, Umlaufzeit, und Masse des Planeten • Besonders geignet für Jupiter-ähnliche Planeten mit enger Umlaufsbahn 27 Radialgeschwindigkeit (4) • Aktuelle Messgenauigkeit: 3m/s – Beispiel: Jupiter bewegt die Sonne mit 13m/s • Nicht geeignet für die Detektion erdähnlicher Planeten – Beispiel: die Erde bewegt die Sonne mit 9cm/s 28 Einige Entdeckungen • 51 Pegasi (Mayor, Queloz, 1995) – Stern: Helligkeit: 5.5, Distanz: 42LJ, zwischen alpha und beta Pegasi – erste allgemein anerkannte Entdeckung – D= 42LJ; M = 0,5 MJ; UZ = 4,23 29 Weitere Entdeckungen Stern 51 Pegasi tau Boo Ups And Ursae Maj Virginis Cancri Cyg Magnitude 0.47 Mjup 3.87 Mjup 0.68 Mjup 2.8 Mjup 6.4 Mjup 0.8 Mjup 1.5 Mjup UB 0.05 0.05 0.06 ~2 0.5 0.11 1.7 D(pc) 15.4 15.0 16.547 14.170 18.255 13.416 22 30 Transits (Photometrie) • In regelmässigen Abständen schieben sich sonnennahe Planeten vor die Sonne • Ahnliches ist bei Exo-Planeten möglich • Voraussetzung: Umlaufebene muss Sichtlinie enthalten ⇒viele Sterne müssen während längerem Zeitraum beobachtet werden 31 Veranschaulichung 32 Transit (2) • Helligkeitsverlust hängt von relativer Grösse ab 33 Transit(3) • Oft in Verbindung mit der Radialgeschwindigkeitsmethode benutzt • Beispiel: HD 209458 (Pegasus), D=153LJ – RGM: UZ=3.5 Tage; 10% Wahrscheinlichkeit, dass Umlaufbahn auf Sichtlinie liegt – Transit: 3 Stunden; 1,7% weniger Helligkeit 34 Transit (4) • Vorteil der Methode: – Bestimmung von • Grösse • Masse • Dichte – Erdähnliche Exo-Planeten • weltraumbasiertes Programm (2004) 35 Gravitationslinse (microlensing) • Lichtstrahl = Bahn eines Teilchens • Abgelenkt vom Schwerefeld eines Himmelskörpers • Abhängig von Geschwindigkeit aber unabhängig von der Masse des Teilchen • Resultiert in Lichtbündelung =>Lichtquelle erscheint heller 36 Gravitationslinse (2) 37 Gravitationslinse (3) • Einzige Methode, die von der Erde erdähnliche Planeten nachweisen kann • Passiert sehr selten und nur für kurze Zeit • Bis jetzt noch keine definitiven Funde 38 Direkte Detektion • Problem: Sonne viel heller als Planet • Unterschied 1000x geringer im Infrarotbereich; immer noch 107x schwächer • Eventuell: weltraumbasiertes Interferometer 39 Blick in die Zukunft • Direkte Detektion – NASA NGST (Next Generation Space Telescope) (2007) (4m Teleskop) – ESA DARWIN (2015) • Transits – COROT (France) (2003)=>transits • Astrometrie – GAIA (ESA) 40 Darwin 41 Darwin (2) nulling interferometer 42
